基于MSP430F449的掺杂煤炭快速检测系统设计*

汪鲁才， 刘国锋， 林海军， 赵延昇

(湖南师范大学 工程与设计学院，湖南 长沙 410081)

基于MSP430F449的掺杂煤炭快速检测系统设计*

汪鲁才， 刘国锋， 林海军， 赵延昇

(湖南师范大学 工程与设计学院，湖南 长沙 410081)

介绍了一种基于MSP430F449的掺杂煤炭快速检测仪的设计，阐述了该系统的工作原理和系统设计方案。该系统以DDS芯片AD9833为核心设计激励源，采用24位高精度A/D转换器CS5532实现数据采集，通过RS—232实现上位机和下位机的通信。在煤炭阻抗数据预处理中，采用剔除疏失误差技术，并设计了基于LabVIEW的上位机数据库管理系统。实验证明:该仪器便于携带，低功耗，能够准确识别煤炭的掺杂情况，同时具有操作简单、稳定可靠、方便管理等特点。

煤炭检测； MSP430F449； 插杆式传感器； AD9833； CS5532

0 引 言

随着经济的持续高速发展，煤炭需求量日益增加,煤炭质量成为工业安全生产的前提和商业销售环节的依据，煤质检测成为煤炭存储运输过程中不必可少的常规工序。国内外煤质检测分析仪器主要采用3种方法;一是基于射线的工业分析仪[1,2]，其缺点是放射性大，危害检测人员身体安全;二是基于热分析技术的煤质在线分析仪[3]，其缺点是操作复杂，检测时间长;三是基于近红外光谱(NIRS)分析技术[4]，但仍然停留在理论研究阶段。进口仪器比如美国LECO公司生产的MAC—500和TGA—601，存在价格昂贵，且与国家煤质分析标准GB/T 212[5]不符合。车载煤炭交易市场还存在依靠个人经验，手搓眼观的感官判断法 。这些不完善的检测手段，致使我国在煤炭交易市场上，煤炭掺杂现象日趋严重，给国家和企业带来了巨大的损失。因此，研究一种新型的煤炭检测技术，实现掺杂煤炭的快速准确的检测，成为目前煤炭质量检测领域急需解决的难题。

煤矸石、煤渣、水等是常用的煤炭掺杂物质，研究表明，品质良好的煤炭与参杂了煤矸石、煤渣和高水分的煤炭的阻抗不同。通过施加激励源在煤炭上，在一段的频率范围内测量煤炭的阻抗值，从而判断煤炭掺杂的情况。交流阻抗谱是一种新型的无损检测技术，它根据介质的阻抗特性，通过外部电极施加某一合适的交流激励信号，由分布不同位置的检测电极测得有关电参量信息，绘制成一系列的阻抗[6]。基于上述因素，本文利用交流阻抗谱技术，设计出一种能够实时检测煤炭质量情况的便携式低功耗仪器，该仪器通过微处理器MSP430控制处理信息，同时将结果及时反馈给上位机，从而达到快速检测煤炭质量的目的。

1 交流阻抗谱基本原理

交流阻抗谱方法是一种以小振幅的正弦波电压为扰动信号的电测量方法[6]。如果对系统施加一个正弦波电信号作为扰动信号，则相应地系统产生一个与扰动信号相同频率的响应信号。通常，正弦信号U(ω)被定义为

U(ω)=U0sinωt.

(1)

其中，U0为电压幅值，ω为角频率(ω=2πf,f为频率)，t为时间。如果对体系施加如式(1)的正弦信号，则体系产生如式(2)的响应信号

I(ω)=I0sin(ωt+θ).

(2)

其中，I(ω)为响应信号，I0为电流幅值，θ为相位角。式(1)与式(2)中的频率相同,而体系的复阻抗Z*(ω)则服从欧姆定律

Z*(ω)=U(ω)/I(ω)=|Z|eiθ,

式中 |Z|为阻抗模，实部Z′=|Z|cos ωt为电阻，虚部Z″=|Z|sin ωi为容抗，它们均是角频率ω的函数。由不同频率的响应信号与扰动信号之间的比值,可以得到不同频率下阻抗的模值。通过在一个宽广的频率范围内测量不同频率的响应结果，或者阻抗模|Z|值，这就是交流阻抗谱技术。

2 系统总体设计方案

本文设计的基于单片机的掺杂煤炭快速检测仪，它主要由传感器、激励源、A/D转换电路、信号检测处理模块、微处理控制单元、串口通信模块以及上位机数据库管理系统组成，设计框图如图1所示。信号检测处理模块包括前置放大电路、滤波电路、精密整流电路；控制单元以MSP430F449单片机为核心，这种低功耗的MCU常常用于需要电池供电的便携式仪表仪器中；调整后的信号由24位A/D转换器CS5532采样到MSP430单片机；串口通信模块通过RS—232完成硬件部分与上位机的通信，将采集的煤炭阻抗数据传输到上位机数据库管理系统；数据库管理系统，由LabVIEW程序语言开发设计的，可以完成用户登录与管理，分析显示，保存数据，打印报表等功能。

图1 系统设计框图Fig 1 Design block diagram of system

3 系统硬件设计

3.1 插杆式传感器设计

本设计所采用的传感器是插杆式传感器，该传感器由金属导体(检测电极)、绝缘管、锥形头、信号线、手柄等组成[7]。为避免插杆式传感器在杆插取样后粘留残余样品，而影响对后续测量的精确度，传感器的检测电极、锥形头均采用1Cr18Ni9Ti材料，绝缘管选用聚四氟乙烯。

激励源的信号直接加在传感器上。传感器只要有2块金属导体作为发射和接收端，信号加到一金属块导体上后，会经过煤炭而向另一块导体传播,具体见图2。信号经过传感器的一极通过煤炭，在另一端检测信号，通过测量由被测煤炭阻抗所决定的导通电流，最终实现对煤炭的交流阻抗值进行测量[7]。

图2 插杆式传感器Fig 2 Inserted link sensor

3.2 激励源设计

阻抗测量系统对激励源的频谱特性和噪声水平要求较高[8]。基于此，直接数字频率合成(DDS)技术是激励源部分的关键技术，为了能够获取丰富的波形，同时考虑其简单性，设计采用DDS芯片AD9833作为信号源发生器。AD9833是一种超低功耗、可编程的波形发生器，可以输出正弦波、方波和三角波，输出频率范围为0～12.5 MHz，同时无需外接元件，外围电路简单[9]。为能获取足够的驱动功率，在后面加入一级放大电路。单片机通过FSYNC，SCLK，SDATA对AD9833进行控制，其中，FSYNC为使能引脚，SCLK为串行时钟输入，SDATA为串行数据输入端。如图3所示。

图3 激励源电路设计Fig 3 Design of driving source circuit

3.3 信号检测处理电路设计

该模块包括前置放大电路、四阶巴特沃斯低通滤波电路和精密整流电路。信号经过煤炭后，接收电极输出的信号很小，必须经过适当的放大，以使得在后面的测量中可以得到较好的效果，本模块选用了高增益低功耗运算放大器UA741CD。信号经过放大，携带了大量噪声，因此,必须在后面加入滤波电路。有源滤波器有着极高的输入阻抗和极低的输出阻抗，可直接进行级联，不需要进行阻抗匹配。同时，有源滤波器电路还可以进行增益调整，通过调节桥臂电阻，可补偿电路中的增益衰减。电路对直流信号和低频信号几乎无增益衰减。相对无源滤波器，有源滤波器有着无可替代的优势。为了能获得比较好的滤波效果，本设计采用四阶有源巴特沃斯低通滤波电路。

本设计采用的是有效值检测，因此，在进行A/D转换之前要保证信号的稳定性、准确性。考虑到各方面因素的影响(噪声、频率、交流阻抗)，在A/D转换前级采用精密整流电路以保证信号的稳定性、准确性。为了保证信号的准确度，精密整流电路后面还加了一级π型滤波，使得输出更加稳定。二极管采用1N60肖特基检波二极管。

3.4 A/D转换电路设计

CS5532具有宽动态特性、灵活的供电方式、可编程输出速率及简单的三线串行输出模式等特点，使得该A/D转换器极易与单片机接口，大量适用于工业过程控制、便携式仪表称重仪器，及其它高分辨率测量等场合，此外，CS5532内部有一个自校正系统，可消除A/D本身的漂移误差和零点增益，同时，该A/D转换器CS5532有一个简便灵活的同步串行接口，可以串行方式的输出转换数据[9,10]。基于上述因素，选择CS5532作为A/D转换芯片，串口包括4根控制线：CS，SDI ，SDO，SCLK，单片机通过这4根控制线与它进行通信，如图4所示。

图4 A/D转换电路Fig 4 A/D conversion circuit

本电路中，外部基准电压为2.5 V，文中采用了超低温度漂移、低噪声、高精度且稳定性好的基准源电压芯片MAX6025，其精度为0.2 %。

4 系统软件设计

系统的软件设计主要包括下位机(PLC)单片机的编程实现和上位机(PC)数据库管理系统的实现。下位机的主控单元是MPS430F449单片机，主要完成控制AD9833发出所需的信号源、A/D转换程序以及数据的预处理程序等任务，上位机通过串口与下位机通信，获取煤炭阻抗数据，送入Access数据库，进一步分析、保存和打印。

4.1 下位机软件设计

掺杂煤炭快速检测仪下位工作流程图如图5所示。仪器初始化后，在启动低功耗模式后开始工作，为保证测量的准确有效，读取250次AD采样的值，通过数据预处理程序，将测量数据送给上位机(PC)数据库管理系统分析判断，并可以选择保存和打印。

图5 整体系统工作流程图Fig 5 Work flow chart of overall system

4.2 数据预处理

对被测样品进行阻抗检测，由于仪器本身的故障或者外界一些不可抗拒的干扰因素，会引起测量结果的疏失误差，它的存在严重歪曲了测量结果，必须予以剔除。本文依据处理疏失误差常用的方法—格罗贝斯判据准则，提出了基于掺杂煤炭阻抗数据处理算法。

本设计中对测量对象进行250次AD采样，然后把这些数据冒泡排序，得到从小到大的序列测量值X；滤掉极小值和极大值，取中间60 %的数据进行平均值滤波，即

对于一次测量的数据，可能因掺杂本身的不均匀性导致测量错误。为了克服这个问题，测量煤炭的时候，对一堆煤进行多点的测量(这里采用了10个点)，然后求得测量点的标准差估计值，即

图6 数据预处理程序流程图Fig 6 Flow chart of data preprocessing procedure

4.3 上位机管理系统

上位机数据库管理系统利用美国国家仪器公司NI提供的LabVIEW8.20开发平台。基于LabVIEW的数据库管理系统设计主要由以下模块组成，分别是掺杂煤炭检测系统的主界面(GUI)模块、登录系统模块、数据分析处理模块、主控制模块、串行通信模块和数据库管理模块。该管理系统可以提供简单易操作的人机交互界面，实现了用户密码登录和用户管理，采样数据分析和保存处理结果等基本功能，提供煤炭资料浏览、打印、访问Access数据库查询等功能。

5 仪器的实验结果

对真煤、掺杂30 %和掺杂50 %煤矸石的煤炭分别制样。在室温条件下的大量实验表明：仪器的准确度优于1 %。图7为3种样品阻抗的幅频特性关系曲线，由图7可以看出：

图7 样品阻抗幅频特性曲线图Fig 7 Impedance amplitude frequency characteristics curve of sample

1)3种样品的幅频特性曲线形态相似，都呈现为浴盆曲线状。当激励源信号的频率较低时，样品的阻抗都随着频率的增加而降低；在某一频带范围，其阻抗值变化相对较小，趋于平稳；随着频率的再次升高，样品阻抗逐渐地增加；

2)样品在110～160 kHz频率范围内呈现最小阻抗状态，这一频带为煤炭阻抗敏感频带；

3)不同样品的幅频特性曲线不同，样品的阻抗与掺杂质(煤矸石)的程度有关，掺杂越多，其阻抗值越大。

6 结束语

本文设计了一种采用交流阻抗谱技术，基于MSP430F449单片机为微处理控制单元的掺杂煤炭快速检测仪，准确度优于1 %，同时利用LabVIEW开发平台设计了具有良好人机交互界面的上位机管理系统。该检测仪器性能稳定、准确度高，具有操作简单、数据可靠、低成本、低功耗等优点。如果进一步优化，可以填补市场上关于煤炭质量快速检测便携式仪器的空白。

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Design of quick detecting system for doped coal based on MSP430F449*

WANG Lu-cai， LIU Guo-feng， LIN Hai-jun， ZHAO Yan-sheng

(College of Engineering and Design,Hunan Normal University,Changsha 410081,China)

A design of quick detector for doped coal based on MSP430F449 is introduced,working principle and system design scheme are discussed.Excitation source is designed by using AD9833 DDS chip,data collection is realized by using 24 bit high-precision A/D converter CS5532,communication between upper PC and lower PC is realized through RS-232.Eliminating blunder error technology is applied in coal impedance data pre-processing and database management system for upper PC is designed based on LabVIEW.The experiment shows that the instrument is portable and is power consumption low,it can detect accurately doped coal,and has characteristics of easy to operate,stable and reliable,and is convenient for management.

coal detecting； MSP430F449； inserted link sensor； AD9833； CS5532

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0097—04

2014—01—15

国家自然科学基金资助项目(51205127)

TP 836

A

1000—9787(2014)08—0097—04

汪鲁才(1969-)，男，湖南长沙人，工学博士，教授，主要研究方向为信号处理与模式识别。